芯棒斷裂失效分析

■天津賽瑞機器設備有限公司 王 剛，胡志光，王 鵬，邵紅霞

芯棒斷裂失效分析

■天津賽瑞機器設備有限公司 王 剛，胡志光，王 鵬，邵紅霞

芯棒是軋制無縫鋼管的一個變形工具，目前國內外均采用H13鋼作為芯棒材料，H13是由美國開發的熱作模具鋼材料，因具有較高熱強性、抗熱疲勞性能及抗熱振性，而得到廣泛應用。對芯棒斷裂原因進行了分析。

芯棒在上線軋制無縫鋼管僅700余支就在尾部外螺紋處發生橫向斷裂事故。該芯棒使用的原材料為電渣鋼，材質為H13（4Cr5MoSiV1），表面硬度要求范圍為310~380HBW，抗拉強度要求為Rm≥1050MPa，沖擊吸收能量要求為KV2≥20J。為查明芯棒早期斷裂失效原因，提出改進措施，將斷裂芯棒解剖進行綜合分析。

1. 斷口宏觀觀察

將芯棒在斷裂處按圖1進行鋸切，斷口處宏觀形貌見圖2。

從芯棒斷口宏觀形貌可看出，裂紋源位于螺紋根部一側，以放射狀快速擴展，斷口平齊無塑性變形，為典型的脆性斷裂。在開裂區和裂紋擴展區部位各取一塊試樣進行綜合分析。

2. 分析結果

（1）化學成分分析 在1/2半徑處切取試樣進行化學成分分析，結果見表1。從分析結果中可以看出，各主要元素含量均符合技術要求。

（2）性能和硬度檢驗 經取樣對性能和硬度進行檢驗，試驗結果顯示所有檢驗項目均符合技術要求。

（3）電鏡分析 將兩個斷口試樣反復清洗后入電鏡樣品室進行觀察：裂紋源位于一側螺紋根部，裂紋源部位無夾雜物偏聚等其他缺陷，裂紋源部位斷口低倍形貌如圖3所示。放大觀察：裂紋源表面有一深度約0.1mm氧化層，這個區域為最早開裂區，局部放大形貌照片如圖4、圖5所示。裂紋擴展區形貌為穿晶準解理，局部放大形貌如圖6所示。裂紋源區斷口局部有塊狀物，局部放大形貌如圖7所示，經能譜分析塊狀物是（VCrMo）C，結果如圖8譜線所示。

圖1 鋸切位置示意

圖2 斷裂芯棒脆性斷口和開裂部位斷口宏觀形貌

圖3 裂紋源部位及裂紋擴展區（10×）

圖4 表面氧化層和擴展區脆性斷口（150×）

表1 化學成分分析結果（質量分數） （%）

（4）金相分析 開裂源部位所取試樣橫向觀察：試樣橫截面表面部位有明顯網狀偏析特征，局部低倍形貌見圖9，開裂源部位組織為回火索氏體，偏析區中有塊狀液析碳化物，局部放大形貌見圖10。

開裂源部位和1/2半徑部位所取試樣縱向觀察：1/2半徑部位帶狀偏析比表面部位嚴重，1/2半徑部位偏析組織局部低倍形貌見圖11，偏析帶中有塊狀碳化物，局部放大形貌見圖12。1/2半徑部位液析比表面部位液析嚴重，表面部位液析組織局部放大形貌見圖13，1/2半徑部位液析組織局部放大形貌見圖14。

兩個試樣的金相分析結果見表2和表3。

3. 試驗總結

斷裂芯棒裂紋源位于螺紋根部的一側，以放射狀快速擴展，斷口平齊無塑性變形，為典型脆性斷裂。開裂源部位斷口表面有深度約為0.1mm氧化層，從氧化程度判斷該部位開裂較早，已無法觀察到斷口的原始形貌特征，該部位為應力集中裂紋源。裂紋擴展區斷口形貌為準解理特征。裂紋源區和裂紋擴展區組織均為回火索氏體+碳化物，晶粒度為8.5級，夾雜物無超標現象。裂紋源區和裂紋擴展區均存在明顯的成分偏析和液析現象，裂紋擴展區（1/2半徑部位）比表面開裂源部位明顯嚴重。偏析區中液析塊狀物是（VCrMo）C。夾雜物和一次碳化物的評級，屬于標準中可接受的范圍內。

圖5 表面氧化層斷口（2000×）

圖6 試樣裂紋擴展區準解理斷口（1500×）

圖7 塊狀碳化物（3000×）

圖8 斷口中塊狀碳化物能譜分析

圖9 網狀偏析組織局部低倍形貌（25×）

圖10 偏析組織S回及液析碳化物（500×）

表2 組織和晶粒度分析結果

表3 夾雜物分析結果

4. 結論和建議

（1）芯棒在螺紋根部開裂，其主要原因是芯棒在吊運或使用過程中受到反復切向沖擊力，螺紋根部是整支芯棒受力最薄弱處，并且沖擊力大于芯棒在螺紋根部處的承受能力。

（2）芯棒斷裂的次要原因為芯棒材質存在成分偏析和液析現象，需對國產鋼材質量進行提升。

（3）螺紋根部尤其是螺紋根部后角處的圓角極小，是整支芯棒受力時的最薄弱處。因此，建議芯棒的螺紋根部圓角加大至R8mm。

（4）建議將芯棒的螺紋改為內螺紋，除了防止斷裂外，內螺紋芯棒還有以下幾個優點：①芯棒的性能檢驗是在1/2半徑處進行的，1/2半徑外的材料性能優于1/2半徑內的材料性能，這就提高了螺紋處的性能及使用壽命。②如果使用過程中出現問題，損壞的是連接桿的螺紋，從而保住了成本極高的芯棒工作段。③在芯棒工作段除螺紋外的長度一定的情況下，減少了芯棒工作段的重量，從而節約了生產芯棒工作段的成本。

圖11 帶狀偏析組織局部低倍形貌（50×）

圖12 帶狀偏析組織及碳化物（500×）

圖13 液析組織局部放大形貌（100×）

圖14 液析組織局部放大形貌（100×）

[1] 蔡美良，丁惠麟，孟滬龍. 新編工模具鋼金相熱處理[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2] 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜編委會. 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M]. 北京：機械工業出版社，1990.

[3] 亨利G. 宏觀斷口與顯微斷口學[M]. 北京：機械工業出版社，1980.

20150708